RU2784236C1 - Method for production of ultra-dispersed diamonds and installation for its implementation - Google Patents
Method for production of ultra-dispersed diamonds and installation for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784236C1 RU2784236C1 RU2021121549A RU2021121549A RU2784236C1 RU 2784236 C1 RU2784236 C1 RU 2784236C1 RU 2021121549 A RU2021121549 A RU 2021121549A RU 2021121549 A RU2021121549 A RU 2021121549A RU 2784236 C1 RU2784236 C1 RU 2784236C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working
- working fluid
- line
- diamonds
- pressure sensor
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims abstract description 7
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N iso-propanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 38
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 claims description 5
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N HF Chemical class F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 14
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 10
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007866 anti-wear additive Substances 0.000 abstract 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 abstract 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 10
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 6
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002524 electron diffraction data Methods 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- GQZYJXVNALEKLC-UHFFFAOYSA-N aniline;ethanol Chemical compound CCO.NC1=CC=CC=C1 GQZYJXVNALEKLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 125000005842 heteroatoms Chemical group 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical class [H]* 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 229940040608 SPS Drugs 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000460 iron oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon(0) Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области горно-рудной, химической, инструментальной промышленности, а также в приборостроении, в частности к синтезу ультрадисперсных алмазов, которые могут быть использованы в квантовой физике, биологии, материаловедении, микроэлектроники и медицинской диагностики при создании различного рода нанокомпозитов, катализаторов, антиизносных присадок к маслам и т.д.The invention relates to the field of mining, chemical, tool industry, as well as in instrumentation, in particular to the synthesis of ultrafine diamonds, which can be used in quantum physics, biology, materials science, microelectronics and medical diagnostics when creating various kinds of nanocomposites, catalysts, antiwear oil additives, etc.
Известен способ получения алмазов и водорода, включающий воздействие нагрузок и температур на вещества, содержащие соединения углеводородов, на сжиженные углеводороды воздействуют статическим давлением в сотни атмосфер, усиливаемое повышением высокой температуры и периодическими непрерывными динамическими воздействиями, создаются условия для разложения углеводородов на водород и кристаллы углерода - алмазы, наращиваемые до необходимых размеров путем резких динамических повышений и снижений давления и температуры.A known method for producing diamonds and hydrogen, including the impact of loads and temperatures on substances containing hydrocarbon compounds, liquefied hydrocarbons are affected by a static pressure of hundreds of atmospheres, enhanced by an increase in high temperature and periodic continuous dynamic effects, conditions are created for the decomposition of hydrocarbons into hydrogen and carbon crystals - diamonds grown to the required size by sharp dynamic increases and decreases in pressure and temperature.
Известно устройство для осуществления способа получения алмазов и водорода, включающее металлическую камеру в виде оболочки вращения, которая снабжена узлом подачи под давлением в сотни атмосфер сжиженных веществ, содержащих соединения углеводородов, температура в которых повышается и понижается подачей теплоносителей по трубопроводам, расположенным внутри камеры, с внешней стороны которой размещены усилители давления - вибраторы динамического воздействия на углеводороды, обеспечивающие наращивание размеров алмазов путем резкого повышения и снижения давления внутри камеры, имеющей узел удаления алмазов и трубопровод для отвода водорода, устройство снабжено автоматической системой управления технологическими процессами с промышленным телевидением, обеспечивающим дистанционное управление производством [Заявка №2004101798, кл. С01В 31/06, опубл. 10.07.2005].A device for implementing a method for producing diamonds and hydrogen is known, including a metal chamber in the form of a shell of revolution, which is equipped with a supply unit under pressure of hundreds of atmospheres of liquefied substances containing hydrocarbon compounds, the temperature in which is raised and lowered by the supply of coolants through pipelines located inside the chamber, with on the outside of which there are pressure intensifiers - vibrators of dynamic impact on hydrocarbons, which provide an increase in the size of diamonds by a sharp increase and decrease in pressure inside the chamber, which has a diamond removal unit and a pipeline for hydrogen removal, the device is equipped with an automatic process control system with industrial television, providing remote control production [Application No. 2004101798, class. C01B 31/06, publ. 07/10/2005].
Недостаток способа и устройства состоит в том, что требуется специальное оборудование высокого давления, что усложняет процесс получения алмазов, делает его дорогим и опасным в производстве.The disadvantage of the method and device is that special high-pressure equipment is required, which complicates the process of obtaining diamonds, makes it expensive and dangerous to manufacture.
Известен способ получения алмазов из гранита эпитаксией при давлении 100000 кг/см и температуре 3000°С, которые получены кавитацией в жидком ксеноне в сферических ультразвуковых концентрациях [Патент №94037455, кл. B01J 3/06, опубл. 27.07.1996].A known method of producing diamonds from granite by epitaxy at a pressure of 100,000 kg/cm and a temperature of 3000°C, which are obtained by cavitation in liquid xenon in spherical ultrasonic concentrations [Patent No. 94037455, cl.
Известно устройство для осуществления способа получения алмазов состоит из сферического излучателя, состоящего из отдельных пластин, подключенных к генераторам. В излучатель помещают дисперсию графита (частицы графита в дисперсии не более 0,05 г), а в фокальную область помещают алмазная кристаллическая затравка.A known device for implementing the method of obtaining diamonds consists of a spherical emitter, consisting of separate plates connected to generators. A graphite dispersion is placed in the emitter (graphite particles in the dispersion are not more than 0.05 g), and a diamond crystalline seed is placed in the focal region.
Недостатками способа и устройства являются как сложное оборудование, так и необходимость использования затравок в виде частиц графита или чужеродного алмаза. Это не позволяет управлять свойствами и структурой синтезируемых алмазных частиц.The disadvantages of the method and device are both complex equipment and the need to use seeds in the form of particles of graphite or foreign diamond. This does not allow one to control the properties and structure of the synthesized diamond particles.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ получения ультрадисперсных алмазов, включающий получение рабочей углеродсодержащей жидкости, подачу ее в струйный кавитационный аппарат гидродинамического типа, проведение ударно-волнового нагружения в замкнутой системе без использования защитной атмосферы [Патент РФ №2556763, кл. В82В 3/00, опубл. 10.04.2015].The closest technical solution to the proposed one is a method for obtaining ultrafine diamonds, including obtaining a working carbon-containing liquid, supplying it to a jet cavitation apparatus of a hydrodynamic type, conducting shock-wave loading in a closed system without using a protective atmosphere [RF Patent No. 2556763,
Рабочую углеродсодержащую жидкость получают в виде плазмы углерода из углеродсодержащего вещества. При этом в качестве плазмообразующего вещества может быть использован любой углеводородный газ или органическая углеродсодержащая жидкость, в т.ч. содержащая дополнительно вещества, содержащие гетероатомы, а также дисперсии частиц углерода не алмазной аллотропной формы в органических жидкостях или воде. В качестве охлаждающей жидкости используется поток жидкости внутри проточного кавитационного аппарата, обеспечивающего дополнительное кавитационное воздействие на охлаждающую жидкость.The working carbonaceous liquid is obtained in the form of a plasma of carbon from the carbonaceous substance. In this case, any hydrocarbon gas or organic carbon-containing liquid can be used as a plasma-forming substance, incl. additionally containing substances containing heteroatoms, as well as dispersions of non-diamond allotropic carbon particles in organic liquids or water. As a coolant, a liquid flow is used inside a flow-through cavitation apparatus, which provides an additional cavitation effect on the coolant.
Рабочая жидкость пропускается через плазматрон, с образованием плазмы, с высоким уровнем содержания атомов углерода. Плазменная струя увлекается потоком охлаждающей жидкости внутри струйного кавитационного аппарата гидродинамического типа, обеспечивающего дополнительное кавитационное воздействие на охлаждающую жидкость. Переход других аллотропных модификаций углерода в алмаз возможен при ударно-волновом нагружении его частиц по характерному излому ударной адиабаты графита. Такое нагружение возможно, если конденсация плазмы сопровождается явлениями кавитации.The working fluid is passed through the plasma torch, with the formation of plasma, with a high content of carbon atoms. The plasma jet is entrained by the coolant flow inside the jet cavitation apparatus of the hydrodynamic type, which provides an additional cavitation effect on the coolant. The transition of other allotropic modifications of carbon into diamond is possible under shock-wave loading of its particles along a characteristic break in the shock adiabat of graphite. Such loading is possible if plasma condensation is accompanied by cavitation phenomena.
Наиболее близким техническим решением является установка для получения ультрадисперсных алмазов, включающая блок получения рабочей жидкости, выполненный в виде накопительной емкости, насос, соединенный линией подачи рабочей жидкости со струйным кавитационным аппаратом гидродинамического типа, имеющим рабочую камеру, электронный блок управления с электронными датчиками, рабочую линию, вспомогательную линию, обратную линию, быстрозапорный пневмо-клапан и задвижку, при этом вход электронного блока управления соединен через первый электронный датчик давления с насосом, а выход соединен с исполнительным органом насоса, линия подачи рабочей жидкости подсоединена к рабочей и вспомогательной параллельным линиям, соединенным с обратной линией для циркуляции рабочей жидкости, на рабочей линии последовательно по ходу рабочей жидкости установлены второй электронный датчик давления, кавитационный аппарат, третий электронный датчик давления и быстрозапорный пневмо-клапан, на вспомогательной линии установлены четвертый электронный датчик давления и ручная задвижка [Душенко Н.В., Днестровский А.Ю., Воропаев С.А., Экспериментальные исследования кавитации как возможного процесса синтеза алмаза в природе, Труды всероссийского ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (ВЕСЭМПГ-2017), Москва, 18-19 апреля 2017 г., стр. 7-10].The closest technical solution is an installation for obtaining ultrafine diamonds, including a working fluid production unit made in the form of a storage tank, a pump connected by a working fluid supply line to a hydrodynamic-type jet cavitation apparatus having a working chamber, an electronic control unit with electronic sensors, a working line , an auxiliary line, a return line, a quick-closing pneumatic valve and a gate valve, while the input of the electronic control unit is connected through the first electronic pressure sensor to the pump, and the output is connected to the pump actuator, the line for supplying the working fluid is connected to the working and auxiliary parallel lines connected with a return line for circulation of the working fluid, a second electronic pressure sensor, a cavitation apparatus, a third electronic pressure sensor and a quick-closing pneumatic valve are installed on the working line in series along the flow of the working fluid, on the auxiliary line a fourth electronic pressure sensor and a manual valve were installed [Dushenko N.V., Dnestrovsky A.Yu., Voropaev S.A., Experimental studies of cavitation as a possible process of diamond synthesis in nature, Proceedings of the All-Russian annual seminar on experimental mineralogy, petrology and geochemistry ( WESEMPG-2017), Moscow, April 18-19, 2017, pp. 7-10].
Недостатками установки являются:The disadvantages of the installation are:
- невозможность точного контроля величины гидроудара;- the inability to accurately control the magnitude of the water hammer;
- неточно отцентрированный кавитационный факел в кавитационном аппарате может привести к частичному разрушению стенок установки.- an inaccurately centered cavitation flame in the cavitation apparatus can lead to partial destruction of the installation walls.
Задачей предлагаемого технического решения является эффективный синтез ультрадисперсных алмазов в промышленных объемах. The objective of the proposed technical solution is the efficient synthesis of ultrafine diamonds in industrial quantities.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения ультрадисперсных алмазов, включающем получение рабочей углеродсодержащей жидкости, подачу ее в струйный кавитационный аппарат гидродинамического типа, проведение ударно-волнового нагружения в замкнутой системе без использования защитной атмосферы, в качестве рабочей жидкости используют смесь дистиллированной воды и растворимых в воде углеводородных жидкостей, полученную рабочую жидкость делят на два параллельных потока и подают их со скоростью 5-11 м/с, первый поток направляют через кавитационный аппарат, ударно-волновое нагружение проводят быстрозапорным пневмо-клапаном, расположенным после аппарата и срабатывающим в интервале 10-60 сек с гидроударом равным 1-3 МПа, во втором потоке устанавливают противодавление 0,1-0,5 МПа.The problem is solved by the fact that in a method for obtaining ultrafine diamonds, including obtaining a working carbon-containing liquid, supplying it to a jet cavitation apparatus of a hydrodynamic type, performing shock-wave loading in a closed system without using a protective atmosphere, a mixture of distilled water and soluble in the water of hydrocarbon liquids, the resulting working fluid is divided into two parallel flows and they are fed at a speed of 5-11 m/s, the first flow is directed through the cavitation apparatus, shock-wave loading is carried out with a quick-closing pneumatic valve located after the apparatus and operating in the range of 10 -60 sec with a water hammer equal to 1-3 MPa, in the second flow a back pressure of 0.1-0.5 MPa is set.
Предпочтительно в качестве растворимых в воде углеводородных жидкостей использовать 3-20% спирты, например, метиловый, этиловый, изопропиловый.Preferably, 3-20% alcohols, such as methyl, ethyl, isopropyl, are used as water-soluble hydrocarbon liquids.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что установка для получения ультрадисперсных алмазов, включающая блок получения рабочей жидкости с насосом, соединенным линией подачи рабочей жидкости со струйным кавитационным аппаратом гидродинамического типа, имеющим рабочую камеру, снабжена электронным блоком управления, электронными датчиками давления, рабочей линией, вспомогательной линией, обратной линией, быстрозапорным пневмо-клапаном и ручной задвижкой, при этом блок получения рабочей жидкости выполнен в виде накопительной емкости, вход электронного блока управления соединен через первый электронный датчик давления с насосом, а выход соединен с исполнительным органом насоса, линия подачи рабочей жидкости подсоединена к рабочей и вспомогательной параллельным линиям, соединенным с обратной линией для циркуляции рабочей жидкости, на рабочей линии последовательно по ходу рабочей жидкости установлены второй датчик давления, кавитационный аппарат, третий датчик давления и быстрозапорный пневмо-клапан, на вспомогательной линии последовательно по ходу рабочей жидкости установлены четвертый датчик давления и ручная задвижка.In addition, the problem is solved by the fact that the installation for obtaining ultrafine diamonds, including a block for obtaining a working fluid with a pump connected by a working fluid supply line to a jet cavitation apparatus of a hydrodynamic type, having a working chamber, is equipped with an electronic control unit, electronic pressure sensors, a working line , an auxiliary line, a return line, a quick-closing pneumatic valve and a manual valve, while the block for obtaining the working fluid is made in the form of a storage tank, the input of the electronic control unit is connected through the first electronic pressure sensor to the pump, and the output is connected to the executive body of the pump, the supply line working fluid is connected to the working and auxiliary parallel lines connected to the return line for circulation of the working fluid, on the working line, in series along the working fluid flow, a second pressure sensor, a cavitation apparatus, a third pressure sensor and a quick-closing pneumatic valve, a fourth pressure sensor and a manual valve are installed in series along the working fluid flow on the auxiliary line.
Целесообразно длину рабочей камеры выбрать из условия 3м≤L≤10м, обеспечивая необходимую величину гидроудара в интервале 1-3 МПа, а размеры сужений сопла кавитационного аппарата - из условия Dсопла ≤ 0,3-0,9 Dкамеры для обеспечения необходимого факела кавитации.It is advisable to choose the length of the working chamber from the condition 3m≤L≤10m, providing the required amount of water hammer in the range of 1-3 MPa, and the size of the narrowing of the nozzle of the cavitation apparatus - from the condition D nozzle ≤ 0.3-0.9 D of the chamber to provide the necessary cavitation torch .
На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the installation.
На фиг. 2 – изображение просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) кавитационных алмазов, полученных из бензола.In FIG. 2 – transmission electron microscope (TEM) image of cavitation diamonds obtained from benzene.
На фиг. 3 - ПЭМ-изображение кавитационных алмазов, полученных из толуола.In FIG. 3 - TEM image of cavitation diamonds obtained from toluene.
На фиг. 4 - ПЭМ-изображение кавитационных алмазов, полученных смеси этанол-анилинIn FIG. 4 - TEM image of cavitation diamonds obtained with an ethanol-aniline mixture
На фиг. 5 - Электронограмма, полученная на просвечивающем электронном микроскопе для алмазов, полученных из бензола.In FIG. 5 - Electron diffraction pattern obtained on a transmission electron microscope for diamonds obtained from benzene.
На фиг. 6 - Электронограмма, полученная на просвечивающем электронном микроскопе для алмазов, полученных из толуолаIn FIG. 6 - Electron diffraction pattern obtained on a transmission electron microscope for diamonds obtained from toluene
На фиг. 7 - Электронограмма, полученная на просвечивающем электронном микроскопе для алмазов, полученных из смеси этанол-анилинIn FIG. 7 - Electron diffraction pattern obtained on a transmission electron microscope for diamonds obtained from a mixture of ethanol-aniline
На фиг. 8 - Изображение продуктов синтеза: наноалмазы, полученные из H2O (дистилят) + C3H8O 3% (ИПС) (увеличение x100000, размер частиц 3-5 нм).In FIG. 8 - Image of the synthesis products: nanodiamonds obtained from H 2 O (distillate) + C 3 H 8 O 3% (IPS) (magnification x100000, particle size 3-5 nm).
Фиг. 9 - Электронограммы частиц, полученных из изопропилового спирта.Fig. 9 - Electron diffraction patterns of particles obtained from isopropyl alcohol.
На фиг. 10 – спектр комбинационного рассеивания (КР) алмазов, полученных из толуола.In FIG. 10 – Raman spectrum (RS) of diamonds obtained from toluene.
Установка для получения ультрадисперсных алмазов включает накопительную емкость 1, соединенную линией подачи рабочей жидкости 2 с насосом 3. Вход электронного блока управления 4 соединен через первый электронный датчик давления 5 с насосом 3, а выход соединен с исполнительным органом насоса 3. Линия подачи рабочей жидкости 2 подсоединена к рабочей 6 и вспомогательной 7 параллельным линиям, соединенным с обратной линией 8 для циркуляции рабочей жидкости.The installation for obtaining ultrafine diamonds includes a storage tank 1 connected by a working
Рабочая линия 6 является основной. На ней последовательно по ходу рабочей жидкости установлены второй датчик давления 9, кавитационный аппарат 10, рабочая камера 11, третий датчик давления 12 и быстрозапорный пневмо-клапан 13.
На вспомогательной линии 7 последовательно по ходу рабочей жидкости установлены четвертый датчик давления 14 и ручная задвижка 15. Ручная задвижка 15 выполнена шаровой и выполняет роль создания противодавления, а также отражения ударной волны.On the
Длину рабочей камеры 11 выбирают из условия 3м≤L≤10 м, обеспечивая необходимую величину гидроудара в интервале 1-3 МПа, а размеры сужений сопла кавитационного аппарата 10 - из условия Dсопла ≤ 0,3-0,9 Dкамеры для обеспечения необходимого факела кавитации.The length of the working
В установке кавитационного синтеза ультрадисперсных алмазов применен метод гидроудара по создаваемым кавитационным пузырькам с углерод-содержащим соединением. Она состоит из емкости 1, в которую закачивается рабочая жидкость в виде смеси дистиллированной воды и растворимой углеводородной жидкости. К емкости присоединен насос 3 с помощью нержавеющих труб и вибрационного компенсатора. Насос 3 перекачивает рабочую жидкость из емкости 1 через две параллельных линии: рабочую 6 и вспомогательную 7 линии, соединяющиеся в обратную линию 8, через которую рабочая жидкость возвращается в емкость 1. Управление работой насоса 3 происходит с помощью электронного блока управления 4 (ЭБУ) через электронный датчик давления Р1 5 жидкости.In the installation for the cavitation synthesis of ultrafine diamonds, the method of hydraulic impact on the created cavitation bubbles with a carbon-containing compound was applied. It consists of a container 1, into which the working fluid is pumped in the form of a mixture of distilled water and a soluble hydrocarbon liquid. A
Профилированное сопло кавитационного аппарата 10 имеет специальную конструкцию, профиль которой рассчитывается. Рабочая камера 11 выполнена из нержавеющей трубы, в которой происходит коллапс кавитационных пузырьков. Быстрозапорный пневмо-клапан 13 является составным узлом в который входят: задвижка из нержавеющей стали, пневмо-привод, компрессорная установка, таймер времени срабатывания (на фиг. 1 не показаны). Все соединения в контуре установки имеют паронитовое уплотнение. Все элементы установки, контактирующие с рабочей жидкостью, выполнены из нержавеющей стали.The profiled nozzle of the cavitation apparatus 10 has a special design, the profile of which is calculated. The working
Пример осуществления способа.An example of the implementation of the method.
Способа осуществляют на установке кавитационного получения ультрадиперсных алмазов (Фиг. 1), в которой был применен метод гидроудара по кавитационным пузырькам.The method is carried out on the installation of cavitation production of ultra-fine diamonds (Fig. 1), in which the method of hydraulic impact on cavitation bubbles was applied.
В установке применялось профилированное сопло специальной конструкции. В качестве рабочей жидкости используют Н2О (дистилят) + C3H8O 3% (ИПС). Рабочую жидкость закачивают в накопительную емкость 1 объемом 500 л. С помощью электронного блока управления (ЭБУ) 4 задают параметр давления жидкости равный 0,4 МПа на электронный датчик давления (P1) 5. Производят запуск насоса 3 марки 3X100-65-200, который начинает перекачивать рабочую жидкость со скоростью 7 м/с из накопительной емкости 1 по двум рабочей 6 и вспомогательной 7 параллельным линиям. The installation used a profiled nozzle of a special design. As a working fluid, H 2 O (distillate) + C 3 H 8 O 3% (IPA) is used. The working fluid is pumped into storage tank 1 with a volume of 500 liters. Using the electronic control unit (ECU) 4, the fluid pressure parameter is set to 0.4 MPa on the electronic pressure sensor (P 1 ) 5. The
На быстрозапорной пневмо-клапан 13 под управлением таймера времени задается интервал его срабатывания, равный 25 сек. Поток рабочей жидкости проходит через профилированное сопло кавитационного аппарата 10, где жидкость находится в отрицательном диапазоне давлений равном -0,4 МПа, что способствует зарождению кавитационных пузырьков. Они выносятся потоком жидкости в область рабочей камеры 11, где происходит их схлопывание гидроударом, равным 1,5 МПа, получаемым с помощью быстрозапорного пневмо-клапана 13. В результате внутри пузырька формируется ударная волна (УВ). Скорость фронта УВ при скачке внешнего давления 1.5 МПа составляет примерно 4.5 км/с. На фронте УВ происходит резкий скачок температуры и давления с величинами в закритической области. После прохождения фронта УВ температура и давление продолжают расти, однако в зону формирования алмаза вещество попадает только после отражения волны от внутренней расчетной границы. Для случая с перепадом внешнего давления ΔР=1,5 МПа, через 1.2 нс после отражения УВ, давление по всему объему сжатого пузырька составляет примерно 4-5 ГПа. Таким образом, весь объем сжатого пузырька оказывается в зоне формирования алмаза размером 5 нм в течение примерно 1 нс.On the quick-closing
Полученные продукты концентрируют из рабочей жидкости с помощью комбинированного центрифугирования. Затем в течение 3 ч отфугированный порошок выдерживают в смеси 60% азотной, 20% соляной и 20% фтористоводородной кислот в соотношении 3:1:1 соответственно. Находящиеся в порошке примеси (оксид железа, Fe2O3; аморфный углерод) растворяются в смеси кислот. Оставшиеся частицы промывают и сушат. Размер полученных ултрадисперсных алмазов колеблятся от 3-5 нм.The resulting products are concentrated from the working fluid using combined centrifugation. Then, for 3 hours, the otfugirovanny powder is kept in a mixture of 60% nitric, 20% hydrochloric and 20% hydrofluoric acids in a ratio of 3:1:1, respectively. Impurities in the powder (iron oxide, Fe 2 O 3 ; amorphous carbon) are dissolved in a mixture of acids. The remaining particles are washed and dried. The size of the obtained ultrafine diamonds range from 3-5 nm.
На фиг. 8 представлено изображение продуктов синтеза - ультрадисперсные алмазы, полученные из H2O (дистилят) + C3H8O 3% (ИПС) (увеличение х 100000, размер частиц 3-5 нм).In FIG. 8 shows the image of the synthesis products - ultrafine diamonds obtained from H 2 O (distillate) + C 3 H 8 O 3% (IPS) (magnification x 100000, particle size 3-5 nm).
Расшифровка электронных дифрактограмм частиц, синтезированных из ИПС (фиг. 9), показала наличие у части из них кристаллической алмазной решетки. Межплоскостные расстояния в 
ГЦК решетка – гранецентрированная кубическая решетка.The fcc lattice is a face-centered cubic lattice.
Были проведены эксперименты получения ультрадисперсных алмазов из бензола, толуола и смеси этанол-анилин. Результаты представлены на фиг. 2-7 и фиг. 10.Experiments were carried out to obtain ultrafine diamonds from benzene, toluene, and an ethanol-aniline mixture. The results are shown in FIG. 2-7 and FIG. ten.
Таким образом, вышеприведенные данные подтверждают достоверность заявленного технического результата.Thus, the above data confirm the reliability of the claimed technical result.
К уникальным достоинствам предложенного способа и установки можно отнести возможность использования как чистых углеводородных жидкостей, содержащих атомы только углерода и водорода, так и растворимых в воде соединений, содержащих гетероатомы кислорода, азота, кремния, бора и другие. Это позволяет синтезировать ультрадисперсные алмазы, допированные атомами - донорами (или акцепторами), необходимыми для формирования полупроводниковых свойств. Такая возможность открывает новое направление в развитии современной микроэлектроники. Возникающая при допировании ультрадисперсных алмазов люминсценция, позволяет рассматривать их как инновационное средство медицинской диагностики на клеточном уровне.The unique advantages of the proposed method and installation include the possibility of using both pure hydrocarbon liquids containing only carbon and hydrogen atoms, and water-soluble compounds containing heteroatoms of oxygen, nitrogen, silicon, boron, and others. This makes it possible to synthesize ultrafine diamonds doped with donor (or acceptor) atoms necessary for the formation of semiconductor properties. This possibility opens up a new direction in the development of modern microelectronics. The luminescence arising from the doping of ultrafine diamonds makes it possible to consider them as an innovative means of medical diagnostics at the cellular level.
Осуществимость метода опирается на сравнительную простоту установки промышленного синтеза не требующей специальной камеры высокого давления или плазмотрона. Используются стандартные компоненты (насос, пневмо-задвижка и др.) не требующие сложного монтажа и условий технического обслуживания. Большая гибкость в выборе углерод-содержащей рабочей жидкости также значительно облегчает условия синтеза и позволяет проще добиваться необходимых размеров и свойств ультрадисперсных алмазов.The feasibility of the method is based on the comparative simplicity of the industrial synthesis installation, which does not require a special high-pressure chamber or plasma torch. Standard components are used (pump, pneumatic valve, etc.) that do not require complex installation and maintenance conditions. Greater flexibility in the choice of carbon-containing working fluid also greatly facilitates the synthesis conditions and makes it easier to achieve the desired size and properties of ultrafine diamonds.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2784236C1 true RU2784236C1 (en) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2123972C1 (en) * | 1997-10-08 | 1998-12-27 | Павел Владимирович Перетяка | Process of manufacture of artificial superhard material based on carbon |
| US7704401B2 (en) * | 2006-05-31 | 2010-04-27 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Liquid treatment apparatus and liquid treatment method |
| JP4899045B2 (en) * | 2005-03-01 | 2012-03-21 | 国立大学法人東北大学 | Nanocarbon material generation method, generation apparatus, and nanocarbon material |
| RU2473463C2 (en) * | 2011-01-12 | 2013-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Method of obtaining highly rigid carbon nanoparticles c8 |
| RU2556763C2 (en) * | 2013-10-01 | 2015-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственный Центр "Квадра" | Method of synthesising ultradispersed diamonds |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2123972C1 (en) * | 1997-10-08 | 1998-12-27 | Павел Владимирович Перетяка | Process of manufacture of artificial superhard material based on carbon |
| JP4899045B2 (en) * | 2005-03-01 | 2012-03-21 | 国立大学法人東北大学 | Nanocarbon material generation method, generation apparatus, and nanocarbon material |
| US7704401B2 (en) * | 2006-05-31 | 2010-04-27 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | Liquid treatment apparatus and liquid treatment method |
| RU2473463C2 (en) * | 2011-01-12 | 2013-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Method of obtaining highly rigid carbon nanoparticles c8 |
| RU2556763C2 (en) * | 2013-10-01 | 2015-07-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственный Центр "Квадра" | Method of synthesising ultradispersed diamonds |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Н.В.Душенко и др. Кавитационный синтез наноформ углерода гидроударом. Изв. вузов. Химия и хим. технология, 2016, Т. 59, N 9, С. 80-85. * |
| Э.Э.Лин. О кластерном механизме синтеза алмаза в экстремальных условиях кавитации. Письма в "Журнал технической физики", 2011, Т. 37, N 13, С. 9-13. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Clarke et al. | Determination of the activation energy and intrinsic rate constant of methane gas hydrate decomposition | |
| Smith Jr et al. | Techniques, applications and future prospects of diamond anvil cells for studying supercritical water systems | |
| US9636650B2 (en) | Method and system for controlled synthesis of nanodiamonds | |
| RU2784236C1 (en) | Method for production of ultra-dispersed diamonds and installation for its implementation | |
| Mostovoi et al. | Use of modified nanoparticles of potassium polytitanate and physical methods of modification of epoxy compositions for improving their operational properties | |
| Basavalingu et al. | Decomposition of silicon carbide in the presence of organic compounds under hydrothermal conditions | |
| KR101211697B1 (en) | Method for manufacturing of gas hydrate | |
| Jarrahian et al. | Natural gas hydrate promotion capabilities of toluene sulfonic acid isomers | |
| CN106829938B (en) | The method that overcritical sulfur hexafluoride stripping prepares graphene or graphene nanometer sheet | |
| CN105307760B (en) | Device for manufacturing carbon-based fuel, and method for manufacturing carbon-based fuel | |
| RU2680512C1 (en) | Method of producing nanosized diamonds | |
| Basavalingu et al. | Hydrothermal synthesis and characterization of micro to nano sized carbon particles | |
| Gunter Wilmanns et al. | Supercritical water oxidation of volatile acids | |
| Zeng et al. | Effects of CO2 gassy-supercritical phase transition on corrosion behaviors of carbon steels in saturated vapor environment | |
| Artamonov et al. | Laboratory and field testing of wave machines and devices for preparation of fine-particle suspensions | |
| Giese et al. | Aqueous alteration of fluoranthene (C16H10) in asteroids and meteorites | |
| Chataigner et al. | High‐Pressure Synthesis: An Eco‐friendly Chemistry | |
| US20230382822A1 (en) | Method for producing hydrocarbon | |
| Van Laar et al. | Synthesis and deposition of silicon carbide nanopowders in a microwave-induced plasma operating at low to atmospheric pressures | |
| RU2049723C1 (en) | Disperse diamond-containing composition and method for its production | |
| Santana et al. | H2S removal at downhole conditions using iron oxide nanoparticles | |
| Voropaev | Cavitations synthesis of carbon nanostructures | |
| Berni et al. | High pressure behavior of ethylene and water: From clathrate hydrate to polymerization in solid ice mixtures | |
| Belnap | Sintering of ultrahard materials | |
| Vereshchagin et al. | Coalescence of detonation carbon with ultrasonic irradiation in the cavitational mode |